5_Zamota.doc Физико-химические основы процесса макроприработки плоских поверхностей трения при ЭХМП(Д) Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2011, № 2 26 Замота Т.Н. Восточноукраинский национальный университет им.В.Даля, г. Луганск, Украина ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРОЦЕССА МАКРОПРИРАБОТКИ ПЛОСКИХ ПОВЕРХНОСТЕЙ ТРЕНИЯ ПРИ ЭХМП(Д) Введение Проблема повышения долговечности сопряжений не может быть решена без качественной до- водки пар трения. Одним из направлений в доводке и сокращении времени обкатки является электрохи- мико-механическая приработка(доводка)(ЭХМП(Д)) [1]. При ЭХМП(Д) деталям механизма придается рабочее движение, между деталями прокачивается электролит и пропускаем переменный электрический ток. За счет совместного электрохимико-механического воздействия происходит быстрое приспосабли- вание одной поверхности к другой. Наиболее эффективным фактором ЭХМП(Д) является электрохими- ческий [2, 3, 4]. Применение электрохимико-механической приработки (доводки) имеет ряд существенных пре- имуществ перед другими видами окончательной обработки. В отличие от абразивной притирки (довод- ки) при ЭХМП(Д) полностью исключается образование абразивных частиц в виде продуктов износа и других видов так как воздействие на материал производится наложением тока на среду и детали и проис- ходит на тонком уровне, в результате чего продукты съема находятся в среде в виде атомов, молекул. Как и при электрохимическом полировании, при ЭХМП(Д) происходит снятие внутренних напряжений как в микро-, так и макрообъеме поверхности материала. ЭХМП(Д) позволяет производить локальный съем металла. Кроме того, ЭХМП(Д) обеспечивает совместную обработку деталей без применения специ- альных инструментов в отличие от абразивной и электрохимической обработок, благодаря этому происхо- дит быстрая структурная, микро- и макрогеометрическая приспосабливаемость трущихся поверхностей. Постановка задачи макрогеометрической приработки при ЭХМП(Д) Для теоретического исследования процесса ЭХМП(Д) составим схему макрогеометрической приработки двух непараллельных поверхностей трения. Каждой поверхности заданы определенные свойства, влияющие на ее износостойкость. Требуется обеспечить за счет процесса электрохимико- механической приработки эквидистантность поверхностей с минимально возможным износом. Мини- мально возможный износ, для обеспечения эквидистантности поверхностей, может быть легко вычислен, зная величину углов перекосов γ и ϕ (рис. 1). а б Рис. 1 – Общая схема макрогеометрической приработки сопряженных поверхностей: а – общий случай неэквидистантности плоских поверхностей; б – частный случай(при отсутствии поперечного перекоса); 1 – поверхность 1; 2 – поверхность 2; 3 – смазочная среда; P – давление; V – скорость взаимного перемещения; U, I, R – токовые параметры процесса; δ – толщина изнашиваемого материала, γ, φ – углы перекоса При этом необходимо учитывать механическую составляющую процессов (давление в контакте Р, скорость взаимного перемещения V и электрохимическую (состав электролита, режим трения, токо- вые параметры), непосредственно влияющих на съем материала трущихся поверхностей. Учитывая пре- дыдущие исследования [5 … 7] с достаточным приближением, эту задачу можно решить для одной по- верхности постоянного контактирования. В данном случае - это поверхность 1. Поэтому дальнейшие теоретические разработки необходимо проводить с учетом того, что поверхность 1 будет изнашиваться в процессе приработки, а поверхность 2 – сохранять свою первоначальную геометрическую форму. PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com Физико-химические основы процесса макроприработки плоских поверхностей трения при ЭХМП(Д) Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2011, № 2 27 Распределение тока между прирабатываемыми поверхностями При электрохимико-механическом взаимодействии двух деталей будут протекать два взаимодо- полняющих процесса, приводящих к выравниванию поверхности: электрохимическое травление и меха- ническая депассивация поверхности. Интенсивность съема металла с прирабатываемой поверхности бу- дет пропорциональна силе тока, протекающего через конкретную точку (рис. 2). На схеме, представленной на рис. 2, а выделены две цепи, по которым может протекать ток при ЭХМП(Д). В обеих цепях присутствуют два равных между собой сопротивления: Ra – сопротивление анода и Rк – сопротивление катода. а б Рис. 2 – Распределение сопротивлений протеканию тока при ЭХМП(Д) сопряженных деталей с макрогеометрическими отклонениями (а) и эпюра скорости съема металла при ЭХМП(Д) (б) : 1 – деталь 1; 2 – деталь 2; hmin – толщина минимального слоя электролита в зоне механической депассивации; h – толщина слоя электролита в зоне макрогеометрического отклонения; Ra – сопротивление анода; Rк – сопротивление катода; Rэл – сопротивление минимального слоя электролита; Rэл·h/hmin – сопротивление слоя электролита в зоне макрогеометрического отклонения; Rпл – сопротивление пассивационной пленки Определяющими же для протекания электрохимической реакции являются сопротивления непо- средственно связанные с зазором: сопротивление минимального слоя электролита – Rэл, сопротивление слоя электролита в зоне макрогеометрического отклонения – Rэл·h/hmin и сопротивление пассивационной пленки Rпл. Обозначим силу тока, проходящего через минимальный слой электролита в зоне механической депассивации, I1, а силу тока в зоне макрогеометрического отклонения- I2. Без учета одинаковых для обоих цепей сопротивлений можно записать: элRUI /1 = ; ./ min 2 плэл RhhR U I + = (1) Очевидно, что сила тока 1I > 2I , т.е. скорость электрохимического травления больше в зоне ми- нимального слоя электролита и отсутствия пассивационной пленки. Необходимо выразить силу тока в зоне макрогеометрического отклонения 2I через 1I . Для этого запишем: . / min 2 1 эл плэл R RhhR I I + = (2) Отсюда . // min 1 2 элпл RRhh I I + = (3) C учетом формул (1) и (3) для межэлектродного зазора равного толщине слоя электролита в каждой конкретной точке построена эпюра скорости съема металла при ЭХМП(Д) (рис. 2, б). При ЭХМП(Д) создаются условия для эффективного выравнивания поверхностей с макрогеометрическими отклонениями. При сравнении сил тока 1I и 2I определяющими будут макрогеометрический (h/hmin) и PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com Физико-химические основы процесса макроприработки плоских поверхностей трения при ЭХМП(Д) Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2011, № 2 28 электрохимический (Rпл / Rэл) факторы. С ростом напряжения процесса U происходит линейное возрас- тание силы тока. Верхняя прямая на рис. 3 показывает силу тока 1I . Три нижних – силу тока 2I при h/hmin равном 2, 3 и 4, соответственно. На рис. 3, а принято, что Rпл / Rэл равно единице, а на рис. 3, б со- противление Rпл в пять раз больше Rэл. а б Рис. 3 – Изменение силы тока при ЭХМП(Д) на участках детали с учетом межэлектродного зазора(а) и межэлектродного зазора и пассивационной пленки(б) Очевидно, что при анодном растворении поверхности, ее выравнивание будет зависеть от разни- цы силы тока 1I и 2I . Чем больше эта разница, тем быстрее и эффективнее процесс уменьшения макро- геометрического отклонения. Напряжение процесса должно быть максимальным, при котором обеспечи- вается анодное растворение, но исключается электроэрозия поверхности. По данным исследований [1 … 3] U должно находится в пределах 3,5 … 4,5 В. Наличие пассивационной пленки только ускоряет выравнивание поверхности, поэтому необходимо подбирать электролит с пассивирующими свойствами. Теоретическая модель, описывающая уменьшение макрогеометрической погрешности при ЭХМП(Д) плоских поверхностей Толщина смазочного слоя между трущимися поверхностями в зоне непосредственного контакта равна hi = hmin, а в зоне макрогеометрического отклонения – hi = h. Анодное травление в каждой конкретной точке происходит с определенной скоростью обратно пропорциональной величине межэлектродного зазора h. В начальный момент времени точка поверхно- сти детали с макрогеометрическим отклонением находится на зазоре hi = hmin и имеет скорость травле- ния Va. Составим дифференциальное уравнение изменения линейного износа по времени. Обозначим межэлектродный зазор через h = h(t) – расстояние точки от начала отсчета в момент времени t, тогда в зоне непосредственного контакта h(0) = hmin. Согласно условию, изменение величины h от времени опи- сывается дифференциальным уравнением: , h k dt dh = (4) ),( 2 1 kaa U x k ϕ+ϕ−η⋅ ρ ε ⋅= (5) где 1/2 – коэффициент, учитывающий анодный полупериод переменного тока, при котором про- исходит травление одной из деталей сопряжения; U – рабочее напряжение; aϕ – анодный потенциал; kϕ – катодный потенциал; aη – анодный выход по току; χ – удельная электропроводимость электролита; ρ – плотность материала; ε – электрохимический эквивалент материала анода. Разделив переменные в этом уравнении и проинтегрировав его, получим: PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com Физико-химические основы процесса макроприработки плоских поверхностей трения при ЭХМП(Д) Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2011, № 2 29 )(2 сkth += . (6) Из условия h(0) = hmin определим постоянную интегрирования с: .2/2minhc = (7) Тогда можем записать следующее выражение: kth h kth 2) 2 (2 2min 2 min +=+= . (8) Дифференцируя по t, найдем скорость увеличения зазора h в момент времени t: kth k dt dh tV 2 )( 2 max + == , (9) Подставим в эту функцию значение k для зоны непосредственного контакта, что даст возмож- ность определить функцию скорости увеличения зазора между деталями. V (t) = tUh U kth k dt dh kaai kaa i ⋅ϕ+ϕ−η⋅ ρ χε + ϕ+ϕ−η⋅ ρ χε = + = )( )( 2 1 2 22 . (10) Изменение зазора в каждой конкретной точке в зависимости от времени выразится следующим выражением: tUhkthh kaaii ⋅ϕ+ϕ−η⋅ρ χε +=+= )(2 22 . (11) Рис. 4 – Расчетная схема распределения зазоров при приработке поверхности с макрогеометрическим отклонением Учитывая то, что толщина смазочного слоя в зоне непосредственного контакта постоянна при неизменных условиях, получим: tUhkthh kaa ⋅ϕ+ϕ−η⋅ρ χε +=+= )(2 2min 2 min . (12) По заданным условиям можно записать следующее: ,maxminmax δ−δ+= hh (13) где δ – величина макрогеометрического отклонения (рис. 4), зависящая от координаты х (δ = f(x)). На схеме, представленной на рис. 4, увеличение макрогеометрического отклонения имеет ли- нейный характер, поэтому: ,cax +=δ (14) где a и c – постоянные прямой, зависящие от угла перекоса γ и линейных размеров детали; x – координата сечения детали от максимального зазора. PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com Физико-химические основы процесса макроприработки плоских поверхностей трения при ЭХМП(Д) Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2011, № 2 30 С учетом (14), получим: .maxmin caxhhi −−δ+= (15) Тогда изменение зазора в зоне макрогеометрического отклонения равно: ( ) ( ) tUcaxhktcaxhh kaa ⋅ϕ+ϕ−η⋅ρ χε +−−δ+=+−−δ+= )(2 2maxmin 2 maxmin . (16) Проинтегрировав это выражение по x, получим площадь эпюры изменения сечения детали в оп- ределенный момент времени: S эп h = dxtUcaxh kaa Lx x ⋅ϕ+ϕ−η⋅ ρ χε +−−δ+∫ = = )()( 2maxmin 0 . (17) Объем снимаемого материала будет зависеть от ширины детали b: V эп h =b dxtUcaxh kaa Lx x ⋅ϕ+ϕ−η⋅ ρ χε +−−δ+∫ = = )()( 2maxmin 0 . (18) Выводы 1. Получена математическая модель, описывающая уменьшение макрогеометрической погреш- ности при ЭХМП(Д) плоских поверхностей. 2. Процесс ЭХМП(Д) можно контролировать электрохимическими и механическими факторами, влияющими на толщину минимального слоя электролита hmin, его электропроводимость χ и пассиви- рующие свойства, формирующих Rэл – сопротивление минимального слоя электролита; Rэл·h/hmin – сопротивление слоя электролита в зоне макрогеометрического отклонения и Rпл – сопротивление пасси- вационной пленки. 3. При анодном растворении поверхности, ее выравнивание будет зависеть от разницы силы тока 1I и 2I . Чем больше эта разница, тем быстрее и эффективнее процесс уменьшения макрогеометриче- ского отклонения. 4. Напряжение процесса должно быть максимальным, при котором обеспечивается анодное рас- творение, но исключается электроэрозия поверхности (U должно находится в пределах 3,5 … 4,5В). 5. Наличие пассивационной пленки только ускоряет выравнивание поверхности, поэтому необ- ходимо подбирать электролит с пассивирующими свойствами. Литература 1. Алексеев В.П. Стадии электрохимико-механической приработки (доводки) сопряжения вал – подшипник скольжения/ В.П. Алексеев // Авиационно-космическая техника и технология. Тр. Харьков- ского авиационного института им. Жуковского. – ХАИ. – 1998. – C. 475-485. 2. Taras Zamota, Alexander Kravchenko. Electrochemical-mechanical running in of the main engine′s conjugations//TEKA, Commission of Motorization and Power Industry in Agriculture.-Vol. XD.-Lublin,2010.- P.58-65. 3. Taras Zamota, Alexander Kravchenko. Improvement of tribotechnical characteristics of piston ring surfase at running in//TEKA, Commission of Motorization and Power Industry in Agriculture.-Vol. XB.- Lublin,2010.-P.323-330. 4. L. Economikos, X. Wang, A. Sakamoto, P. Ong, M. Naujok, R. Knarr, L. Chen, Y. Moon, S. Neo, J. Salfelder, A. Duboust, A. Manens, W. Lu, S. Shrauti, F. Liu, S. Tsai, W. Swart. Integrated Electro– Chemical Mechanical Planarization (Ecmp) for Future Generation Device Technology. IEEE, 2004. – pp.233– 235. 5. Yuan– Long Chen, Shu– Min Zhu, Shuo– Jen Lee and other. The technology combined electro- chemical mechanical polishing. Journal of Materials Processing Technology 140 (2003). – pp.203– 205. 6. Shuo– Jen Lee, Yu– Ming Lee, Ming– Feng Du. The polishing mechanism of electrochemical me- chanical polishing technology. Journal of Materials Processing Technology 140 (2003). – pp.280– 286. 7. Samuel B. Emery, Jennifer L. Hubbley, Maria A. Darling and other. Chemical factors for chemical– mechanical and electrochemical– mechanical planarization of silver examined using potentiodynamic and im- pedance measurements. Materials Chemistry and Physics 89 (2005). – pp.345 – 353. Надійшла 18.02.2011 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com